CompactPCI 与 PICMG2.X技术开发架构之探讨

何谓 CompactPCI 工业计算机的种类有很多，有金手指接口的 PCI/ISA Card，有长卡或短卡之分，一般用来做工厂机器的控制之用，例如 CNC 切割机，成品分类控制等;也有像缩小版的主机板，不带金手指接口的，即所谓嵌入式 embedded card，有 3.5 与 5 又 1/4 英吋的卡，平常在便利商店可见的 POS (Point of Sales) 收款机或是SOHO 族用的小型 Firewall 都可能是用 Embedded solution。 更小一块像饼干的 PC/104，一般应用在钻油平台或飞弹的导向系统等，另外还有 server 用的大型 motherboard 及 CompactPCI。 什么是CompactPCI? 和一般的桌上型计算机或工业计算机有什么不同?平常在办公室或家里看到的是所谓的桌上型计算机 (Desktop computer)，里面是由主机板 motherboard 和插在 PCI 插槽的外围卡所组成。如果看到办公室计算机机房内高高的架子上插着直立式的卡片，那就是直立式服务器 (Pedestal server)，如果是一盒一盒挂在架子上的，那大概就是机架式服务器 (Rack mount server)， 那么如果是像土司面包切片，每一片挂上把手，就是 CompactPCI 的刀锋服务器 (blade server) 。 图一: 6U CompactPCI 系统与板卡 CompactPCI将处理器，内存，硬盘机等服务器系统的硬件集成到单一的3U （100 x 160 mm） CompactPCI或6U (233.33 x 160 mm) CompactPCI的主板上， 彼此共享机箱，电源供应器，键盘，显示器及鼠标等资源。 在一个符合3U或6U 的CompactPCI机箱（chassis）内，可随需求放入多达20台（片）以上的服务器，因此产品的集中度（density）相当的高，节省空间。 图二: 3U 与 6U CompactPCI 板卡 CompactPCI 的特点 CompactPCI 属于开放性的产品架构（third party OS/CPU），占有市场的销售比重逐渐提高，因此开放型架构提供的产品成为各系统集成商的发展方向。开放性的架构在软件上有着一定的优势，系统集成商可在 OS (Operating System) 操作系统方面有较多的选择，现成的 Windows XP， Windows 2000， Windows NT， Linux Red Hat， Caldera， Yellow Dog 等垂手可得，如果需要客制化的 VxWorks 或 RISC 架构底下的操作系统，厂商也可根据需求特别开发。另外，系统卡与外围卡弹性化的组态方式，更大大提高了其适用性 (Availability)。 CompactPCI 2mm pitch 矩阵式的接头相对于金手指来说，大幅度提高了与背板接合的稳定度，板卡在机箱内的通风散热方式也相对的增加了系统的可靠度(Reliability)。此外， CompactPCI 还有许多其它工业计算机所没有的优点。如模块化的设计，前板与后板把手的设计省却了费时的拆除维修时间，热插拔 (Hotswap) 的支持等，让维修保养（serviceability）更加方便。还有，高密度的 I/O 与板卡亦增加了其扩充性（Scalability）。 CompactPCI 相对于其它工业计算机，其高密度的整合可以降低成本，风扇于机箱上的设计可以有效降低温度并减少所需要的空间，还能改进系统的稳定度和得到更低的总成本。密集的板卡设置，让使用者可以很方便快速的加入或移除更多的系统或外围卡。 CompactPCI和PICMG 2.X 的关联 CompactPCI 板卡的开发必须遵循 PICMG 2.X 的规范。下面列出常用的 PICMG 规范并对其中作者认为重要的部份做出说明。 PICMG 2.0 Base Specification PICMG 2.1 Hot Swap PICMG 2.5 Computer Telephony (H.110) PICMG 2.6 Bridging Beyond Eight Slots PICMG 2.7 6U Dual System Slot PICMG 2.8 Instrumentation Subcommittee Pin Registration for PXI PICMG 2.9 System Management Bus PICMG 2.10 Keying of Compact PCI Boards and Backplanes PICMG 2.11 Power Interface PICMG 2.13 Redundant System Slot PICMG 2.14 Multi-computing PICMG 2.15 PTMC (PCI Telecom Mezzanine Carrier/Card) PICMG 2.16 Packet Switching Backplane PICMG 2.0 提供基本的规范，定义产品的基本电器特性，机械方面的外观大小， backplane 背板的设计，HotSwap 的基本规范，J1 32 Bit 与 J2 64 Bit 的电气要求与 Pin Assignment， Keying， 时脉分布与接地需求等等。开发者必需遵循这些基本规范来设计产品。PICMG 2.1 特别针对 Hotswap 热插拔的功能做详细的定义， 如 Physical Connection Process， Hardware Connection Process， 与 Software Connection Process， Enumeration， PCI Reset Signals 等做说明。 PIC 2.1 对 Basic Hotswap， Full Hotswap 及 High Availability 等做充分的说明。 PICMG 2.9 为 System Management Bus 规范定义系统管理总线架构在 CompactPCI 总线中所需注意的事项。总线中使用 Philips 公司的 I2C (I Square C) 硬件层，并且建构在 IPMI 和 IPMB 规范上。何谓 IMPI? System Management Bus 又有何优点呢? IPMI 是 Intelligence Platform Management Interface智能平台管理接口。 IPMI 是中心终端通过LAN监视远程服务器的接口。透过IPMI可以提供系统健康状态监视 (温度、电压和风扇状态等)，系统事件日志，并对严重事件自动产生警告，还可以自动控制系统断电，重新开机等功能。IPMI的核心结构是 BMC (Base Management Controller) 基板管理控制器。 BMC内建独立的 Watchdog Timer，可用来检测BIOS、OS、AP 或因软件引起的系统故障。当 Watchdog Timer 发生超时，BMC可以自动重启系统，执行供电或将发生的情况透过网络传达给远程。 PICMG 2.16 为 Packet Switching Backplane。 PICMG 2.16 重新定义 CompactPCI架构的interconnect方式，从一点对多点的并行总线方式，到点对点的串行总线互联。规范也说明如 Switching Fabric 的交换机制技术。 PICMG 2.16使用 Dual Redundant 的星型网络结构，透过 Ethernet 实现了节点(Node) 间的点到点互联，解决因单点故障所产生的问题，所以可以提供更快速的传输性能及高度的可靠性。交换机制的架构更适合设计高可用性系统，所以 PICMG 2.16的设计主要是应用于电信整合或下一代网络系统产品。 3U 的 CompactPCI最广泛的应用在智能交通系统方面。系统集成商(System Integrator) 可插入所需的系统卡以满足运算所需的效能，可加入外围卡如 RS-232， RS-485， Digital I/O 卡或影像采集卡来做控制，车牌识别等应用， 更可透过网络的连结成为交通控制系统的中枢。 6U 的 CompactPCI 更广泛应用在计算机电话整合服务(CTI)应用的硬件平台，Media gateway，或是Location Based Service，Ring Back Tone等网络电信的应用。 结语 CompactPCI 定义了使用在工业与嵌入式计算机应用的 PCI 强化版本。无论在电气特性与软件方面都与 PCI 的标准完全相同。机构方面遵循 IEEE 1101.1 标准， 符合Eurocard 尺寸规范，不同的是， CompactPCI 有高密度 (2mm pitch) 的接头利于板卡的稳定性，以及快速抽取式的把手便于更换维修。CompactPCI 开发者必须遵循 PICMG 规范来设计。例如，在机构方面要注意接头的屏蔽， 否则会影响 EMI，兼容性记号 (Compatibility Glyph) 及防反插装置 (Keying) 是否考虑进去，PMC 卡的高度是否高过 10 mm等等。在电气特性方面也需要特别注意是否考虑到 M66EN 在 33MHz 和 66MHz 系统里意义是不同的， 64 位的 PCI 引脚是否配置到 J2/P2， 系统卡的 GNT# output 是否在驱动器上串联上终端电阻，在设计 PICMG 2.1 Hotswap 的ENUM# 讯号时， 开发者必须熟读 PICMG 规范，遵循相关规定才能设计出优秀的产品。